生物力學(xué)：生物固體力學(xué)、生物流體力學(xué)和運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)

生物力學(xué)(biomechanics)是應(yīng)用力學(xué)的原理和方法對(duì)生物體中的力學(xué)問題定量研究的生物物理學(xué)分支。其研究范圍從生物整體到系統(tǒng)、器官(包括血液、體液、臟器、骨骼等),從鳥飛、魚游、鞭毛和纖毛運(yùn)動(dòng)到植物體液的輸運(yùn)等。

生物力學(xué)的基礎(chǔ)是能量守恒、動(dòng)量定律、質(zhì)量守恒三定律并加上描寫物性的本構(gòu)方程。生物力學(xué)研究的重點(diǎn)是與生理學(xué)、醫(yī)學(xué)有關(guān)的力學(xué)問題。依研究對(duì)象的不同可分為生物流體力學(xué)、生物固體力學(xué)和運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)等。

在科學(xué)的發(fā)展過程中,生物學(xué)和力學(xué)相互促進(jìn)和發(fā)展著。哈維在1615年根據(jù)流體力學(xué)中的連續(xù)性原理,按邏輯推斷了血液循環(huán)的存在,并由馬爾皮基于1661年發(fā)現(xiàn)蛙肺微血管而得到證實(shí);材料力學(xué)中著名的楊氏模量是楊為建立聲帶發(fā)音的彈性力學(xué)理論而提出的;流體力學(xué)中描述直圓管層流運(yùn)動(dòng)的泊松定理,其實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)是狗主動(dòng)脈血壓的測(cè)量;黑爾斯測(cè)量了馬的動(dòng)脈血壓,為尋求血壓和失血的關(guān)系,在血液流動(dòng)中引進(jìn)了外周阻力的概念,同時(shí)指出該阻力主要來自組織中的微血管;弗蘭克提出了心臟的流體力學(xué)理論;施塔林提出了物質(zhì)透過膜的傳輸定律;克羅格由于對(duì)微循環(huán)力學(xué)的貢獻(xiàn),希爾由于肌肉力學(xué)的貢獻(xiàn)而先后(1920年,1922年)獲諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)。到了20世紀(jì)60年代,生物力學(xué)成為一門完整、獨(dú)立的學(xué)科。生物力學(xué)有三個(gè)分支:生物固體力學(xué),生物流體力學(xué)和運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)。

生物固體力學(xué)是利用材料力學(xué)、彈塑性理論、斷裂力學(xué)的基本理論和方法,研究生物組織和器官中與之相關(guān)的力學(xué)問題。在近似分析中,人與動(dòng)物骨頭的壓縮、拉伸、斷裂的強(qiáng)度理論及其狀態(tài)參數(shù)都可應(yīng)用材料力學(xué)的標(biāo)準(zhǔn)公式。但是,無論在形態(tài)還是力學(xué)性質(zhì)上,骨頭都是各向異性的。

20世紀(jì)70年代以來,對(duì)骨骼的力學(xué)性質(zhì)已有許多理論與實(shí)踐研究,如組合桿假設(shè)和二相假設(shè)等,有限元法、斷裂力學(xué)以及應(yīng)力法和光測(cè)彈力法等檢測(cè)技術(shù)都已應(yīng)用于骨力學(xué)研究。骨是一種復(fù)合材料,它的強(qiáng)度不僅與骨的構(gòu)造也與材料本身相關(guān)。骨是骨膠原纖維和無機(jī)晶體的組合物,骨板由縱向纖維和環(huán)向纖維構(gòu)成,骨質(zhì)中的無機(jī)晶體使骨強(qiáng)度大大提高。體現(xiàn)了骨以最少的結(jié)構(gòu)材料來承受最大外力的功能適應(yīng)性。

木材和昆蟲表皮都是纖維嵌入其他材料中構(gòu)成的復(fù)合材料,它與由很細(xì)的玻璃纖維嵌在合成樹脂中構(gòu)成的玻璃鋼的力學(xué)性質(zhì)類似。動(dòng)物與植物是由多糖、蛋白質(zhì)類脂等構(gòu)成的高聚物,應(yīng)用橡膠和塑料的高聚物理論可得出蛋白質(zhì)和多糖的力學(xué)性質(zhì)。粘彈性及彈性變形、彈性模量等知識(shí)不僅可用于由氨基酸組成的蛋白質(zhì),也可用來分析有關(guān)細(xì)胞的力學(xué)性質(zhì)。如細(xì)胞分裂時(shí)微絲的作用力,肌絲的工作方式和工作原理及細(xì)胞膜的力學(xué)性質(zhì)等。

生物固體力學(xué)以構(gòu)成生命體的各種生物固體,如骨、軟骨、肌肉、血管、皮膚及各種器官等為研究對(duì)象,利用連續(xù)介質(zhì)力學(xué)、多相介質(zhì)力學(xué)、斷裂力學(xué)、損傷力學(xué)和流變學(xué)等力學(xué)基本原理,結(jié)合生理學(xué)、醫(yī)學(xué)和生物學(xué)來研究生物體特別是人體的功能、生長(zhǎng)、消亡及運(yùn)動(dòng)的規(guī)律的生物力學(xué)分支 。

生物固體力學(xué)大體上可分為3個(gè)分支 ,即骨力學(xué)、軟組織力學(xué)和器官力學(xué)。

研究骨組織和骨骼結(jié)構(gòu)在外界作用(力、電、磁、熱等)下的力學(xué)性態(tài),研究骨受力后的瞬時(shí)效應(yīng)和遠(yuǎn)期效應(yīng),以及活骨發(fā)育、生長(zhǎng)、吸收和消亡的力學(xué)機(jī)制。骨是各向異性的,但一般認(rèn)為骨可以視作橫觀各向同性體?，F(xiàn)在對(duì)各類骨的宏觀、細(xì)觀力學(xué)性質(zhì)及本構(gòu)關(guān)系已有相當(dāng)多的成果,但對(duì)其動(dòng)力特性,特別是高應(yīng)變率下的損傷機(jī)理還很不清楚。活骨的重建力學(xué)是骨力學(xué)的核心。早在1884年,沃爾夫就提出了一個(gè)重要的假設(shè),通常稱為沃爾夫定律:骨在需要的地方就生長(zhǎng),不需要的地方就吸收。即骨的生長(zhǎng)、吸收、重建都與骨的受力狀態(tài)有關(guān)。這個(gè)重要的思想指出了力學(xué)與生命的聯(lián)系,因此,在沃爾夫之后,人們一直為這一論斷尋求理論的和實(shí)驗(yàn)的驗(yàn)證。已開始研究骨細(xì)胞是怎樣接受力學(xué)信息及作出相應(yīng)響應(yīng)的機(jī)理。骨中應(yīng)力對(duì)骨折愈合有重要作用。關(guān)節(jié)力學(xué)的研究已有很多臨床應(yīng)用成果。

馮元楨于1989年證明,活的軟組織是非線性贗彈性的 ,即其應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系是非線性的,其粘彈性是贗彈性的,它或許有明顯的滯后環(huán),但相當(dāng)穩(wěn)定,對(duì)應(yīng)變率的變化也不敏感。在實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上,他給出了有普遍意義的軟組織的本構(gòu)方程。但對(duì)特殊狀態(tài)下生物組織的本構(gòu)關(guān)系尚知之甚少,如對(duì)高應(yīng)變率下軟組織的損傷機(jī)理尚不了解。馮元楨提出的血管的應(yīng)力-生長(zhǎng)定律,為研究軟組織的生長(zhǎng)與應(yīng)力的關(guān)系奠定了基礎(chǔ)。活組織中的應(yīng)力和應(yīng)變狀態(tài)隨時(shí)間變化,這就給確定活組織的“瞬時(shí)狀態(tài)”帶來極大困難。因此,尋找確定活組織的零應(yīng)力狀態(tài)和殘余應(yīng)力的新理論,是軟組織力學(xué)研究的一個(gè)重要方向。

器官主要由軟組織構(gòu)成。各種器官都有其獨(dú)特的功能,是生命體內(nèi)相對(duì)獨(dú)立的部分,如肺、心、腎、子宮等體內(nèi)臟器及感覺器官如眼、耳、鼻等。器官力學(xué)旨在揭示各種器官行使其生理功能的力學(xué)機(jī)理,為此必須建立器官的本構(gòu)模型,用以解釋和預(yù)示器官中應(yīng)力、應(yīng)變及相應(yīng)的功能變化。子宮有獨(dú)特的變形能力。在孕期的末期,子宮及宮頸中大部分是結(jié)締組織,使子宮有良好的順應(yīng)性。1975年已提出了一個(gè)軸對(duì)稱的薄壁梨形的子宮力學(xué)模型,建立了應(yīng)變、曲率半徑、位移及體積間的關(guān)系。肺的早期研究多限于觀察壓力-體積關(guān)系,近年來才力圖了解肺組織作為一種材料的力學(xué)特性,盡管已有相當(dāng)多的成果,但由于各種實(shí)驗(yàn)大都要傷及組織,整肺的試驗(yàn)又要利用不盡合理的形態(tài)模型,故設(shè)計(jì)更精巧的實(shí)驗(yàn)是必要的。心臟是整個(gè)循環(huán)系統(tǒng)的動(dòng)力源。早期的研究注意整體心臟的原功能。較晚的研究實(shí)質(zhì)上是研究肌肉力學(xué)的方法,其基本思路是先搞清單根心肌的力學(xué)特性,然后綜合得到整個(gè)心臟腔室的力學(xué)性能。人類對(duì)感覺器官的了解尚少。研究最多的是眼和耳。對(duì)眼球運(yùn)動(dòng)和眼組織的宏觀力學(xué)性質(zhì)已有一定認(rèn)識(shí),但還缺乏精確的整體眼器官的本構(gòu)模型。對(duì)耳朵,則有了耳蝸和前庭器的流體彈性模型,但尚缺少完美的細(xì)觀描述。

生物流體力學(xué)研究生物心血管系統(tǒng)、消化呼吸系統(tǒng)、泌尿系統(tǒng)、內(nèi)分泌以及游泳、飛行等與水動(dòng)力學(xué)、空氣動(dòng)力學(xué)、邊界層理論和流變學(xué)有關(guān)的力學(xué)問題。

人和動(dòng)物體內(nèi)血液的流動(dòng)、植物體液的輸運(yùn)等與流體力學(xué)中的層流、湍流、滲流和兩相流等流動(dòng)形式相近。在分析血液力學(xué)性質(zhì)時(shí),血液在大血管流動(dòng)的情況下,可將血液看作均質(zhì)流體。由于微血管直徑與紅細(xì)胞直徑相當(dāng)在微循環(huán)分析時(shí),則可將血液看作兩相流體。當(dāng)然,血管越細(xì),血液的非牛頓特性越顯著。

人體內(nèi)血液的流動(dòng)大都屬于層流,在血液流動(dòng)很快或血管很粗的部位容易產(chǎn)生湍流。在主動(dòng)脈中,以峰值速度運(yùn)動(dòng)的血液勉強(qiáng)處于層流狀態(tài),但在許多情況下會(huì)轉(zhuǎn)變成湍流。尿道中的尿流往往是湍流。而通過毛細(xì)血管壁的物質(zhì)交換則是一種滲流。對(duì)于血液流動(dòng)這樣的內(nèi)流,因心臟的搏動(dòng)血液流動(dòng)具有波動(dòng)性,又因血管富有彈性故流動(dòng)邊界呈不固定型。因此,體內(nèi)血液的流動(dòng)狀態(tài)是比較復(fù)雜的。

對(duì)于外流,流體力學(xué)的知識(shí)也用于動(dòng)物游泳的研究。如魚的體型呈流線型,且易撓曲,可通過興波自我推進(jìn)。水洞實(shí)驗(yàn)表明,在魚游動(dòng)時(shí)的流體邊界層內(nèi),速度梯度很大,因而克服流體的粘性阻力的功率也大。小生物和單細(xì)胞的游動(dòng),也是外流問題。鞭毛的波動(dòng)和纖毛的拍打推動(dòng)細(xì)胞表面的流體,使細(xì)胞向前運(yùn)動(dòng)。精子用鞭毛游動(dòng),水的慣性可以忽略,其水動(dòng)力正比于精子的相對(duì)游動(dòng)速度。原生動(dòng)物在液體中運(yùn)動(dòng),其所受阻力可以根據(jù)計(jì)算流場(chǎng)中小顆粒的阻力公式(斯托克斯定律)得出。

此外,空氣動(dòng)力學(xué)的原理與方法常用來研究動(dòng)物的飛行。飛機(jī)和飛行動(dòng)物飛行功率由兩部分組成:零升力功率和誘導(dǎo)功率。前者用來克服邊界層內(nèi)的空氣粘性阻力;后者用來向下壓縮空氣,以提供大小等于飛機(jī)或飛行動(dòng)物重量的升力。鳥在空中可以通過前后拍翅來調(diào)節(jié)滑翔角度,這與滑翔機(jī)襟翼調(diào)節(jié)的作用一樣。風(fēng)洞已用于研究飛行動(dòng)物的飛行特性,如禿鷲、蝙蝠的滑行性能與模型滑翔機(jī)非常相似。

運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)是用靜力學(xué)、運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)的基本原理結(jié)合解剖學(xué)、生理學(xué)研究人體運(yùn)動(dòng)的學(xué)科。用理論力學(xué)的原理和方法研究生物是個(gè)開展得比較早、比較深入的領(lǐng)域。

在人體運(yùn)動(dòng)中,應(yīng)用運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)的基本原理、方程去分析計(jì)算運(yùn)動(dòng)員跑、跳、投擲等多種運(yùn)動(dòng)項(xiàng)目的極限能力,其結(jié)果與奧林匹克運(yùn)動(dòng)會(huì)的記錄非常相近。在創(chuàng)傷生物力學(xué)方面,以動(dòng)力學(xué)的觀點(diǎn)應(yīng)用有限元法,計(jì)算頭部和頸部受沖擊時(shí)的頻率響應(yīng)并建立創(chuàng)傷模型,從而改進(jìn)頭部和頸部的防護(hù)并可加快創(chuàng)傷的治療。

人體各器官、系統(tǒng),特別是心臟—循環(huán)系統(tǒng)和肺臟—呼吸系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)問題、生物系統(tǒng)和環(huán)境之間的熱力學(xué)平衡問題、特異功能問題等也是當(dāng)前研究的熱點(diǎn)。生物力學(xué)的研究,不僅涉及醫(yī)學(xué)、體育運(yùn)動(dòng)方面,而且已深入交通安全、宇航、軍事科學(xué)的有關(guān)方面。

中國(guó)的生物力學(xué)研究,有相當(dāng)一部分與中國(guó)傳統(tǒng)醫(yī)學(xué)結(jié)合。因而在骨骼力學(xué)、脈搏波、無損檢測(cè)、推拿、氣功、生物軟組織等項(xiàng)目的研究中已形成自己的特色。

進(jìn)行生物力學(xué)的研究首先要了解生物材料的幾何特點(diǎn),進(jìn)而測(cè)定組織或材料的力學(xué)性質(zhì),確定本構(gòu)方程、導(dǎo)出主要微分方程和積分方程、確定邊界條件并求解。對(duì)于上述邊界問題的解,需用生理實(shí)驗(yàn)去驗(yàn)證。若有必要,還需另立數(shù)學(xué)模型求解,以期理論與實(shí)驗(yàn)相一致。

其次作為實(shí)驗(yàn)對(duì)象的生物材料,有在體和離體之分。在體生物材料一般處于受力狀態(tài)(如血管、肌肉),一旦游離出來,則處于自由狀態(tài),即非生理狀態(tài)(如血管、肌肉一旦游離,當(dāng)即明顯收縮變短)。兩種狀態(tài)材料的實(shí)驗(yàn)結(jié)果差異較大。

生物力學(xué)的研究要同時(shí)從力學(xué)和組織學(xué)、生理學(xué)、醫(yī)學(xué)等兩大方面進(jìn)行研究,即將宏觀力學(xué)性質(zhì)和微觀組織結(jié)構(gòu)聯(lián)系起來,因而要求多學(xué)科的聯(lián)合研究或研究人員具有多學(xué)科的知識(shí)。